基于异靛蓝的供体-受体聚合物忆阻器及其性能改进

发布时间：2020-06-04 19:29

【摘要】：随着大数据时代的到来,传统储存器的发展遭遇了瓶颈。忆阻器由于结构简单、响应速度快、更便于集成等优点,被认为是传统存储器的替代品之一。随着薄膜功能材料的研究从无机发展到有机,研究者发现有机材料具有特殊的忆阻特性,但有机聚合物材料在忆阻器方面的研究还很少。本文以异靛蓝、丙烯二氧噻吩和噻吩构成的有机聚合物作为研究对象,采用旋涂法和热蒸发技术制备了Al/聚合物IPDT/ITO忆阻器件,研究了其忆阻特性,并通过激光照射和优化器件结构对其性能进行调控。目前所完成的主要工作如下:1、利用异靛蓝(isoindigo)与丙烯二氧噻吩(3,3-bis-decyl-3,4-dihydro-2H-thieno[3,4-b][1,4]dioxepine(ProDOT-decyl_2))和噻吩(thiophene)构成的低带隙供体-受体半导体聚合物(IPDT)(异靛蓝/噻吩/二氧噻吩的摩尔比率为x/1/1-x)构建了有机电子器件Al/IPDT/ITO,发现器件具有较稳定的忆阻特性。x=0.5时器件的开/关电压为8/-7.5 V,高低电阻比达到10~2,室温下的忍耐力循环测量超过2000次。x=0.25时器件的开关电压减小为2.2/-1.6V,最大电流下降了5个量级。x=0.2时器件的开关电压为1.9/-1.1V,高低电阻比提高到10~3,最大电流为nA量级。结果表明供体单元的占比越高,器件的开关电压越低;较低的电流更有利于降低功耗;器件的忆阻特性是由于聚合物材料内部导电通道的形成与断裂引起的。2、研究了不同激光照射对器件忆阻性能的影响,结果表明:波长为632 nm、功率为3 mW的激光对忆阻性能的影响显著,照射20 s后负压区域的电流走向发生反转,器件由双极性开关特性转变为单极性开关特性。照射60 s后器件正压区域的电流走向也发生了反转,开/关电压降低到-2.2/1.3 V,高低电阻比提高到10~4;电流降低了一个量级,且I-V曲线的涨落减小,有效降低了器件的功耗;稳定性循环测试次数由原来的2000提高到3500,提高了数据读取的准确性和稳定性。另外还发现经过120℃退火20 min后器件由双极开关特性变为负微分电阻特性。3、对采用异靛蓝、噻吩和二氧噻吩(三者摩尔比率为0.5/1/0.5)制备的Al/聚合物IPDT/ITO忆阻器性能进行调控。分别在Al电极侧,ITO电极以及同时在两个电极内侧添加电子传输层(氧化石墨烯,GO)和空穴传输层[N,N'-二苯基-N,N'-(1-萘基)-1,1'-联苯-4,4'-二胺,NPB],发现在Al和ITO电极内侧同时添加氧化石墨烯层之后性能改进最明显,器件开关电压下降到2.8/-1.8 V,开关电阻比由10~2升高到10~3以上,最大电流下降到了17μA。但是添加NPB空穴传输层之后器件的忆阻特性变差,器件的开关电压变高,开关电阻比下降。说明器件产生忆阻现象的原因为电子效应而非空穴效应。
【图文】：

示意图,存储器结构,示意图,浮栅

器相比最大的特点是器件在断电后，数据仍然可以保存。目前市面上销售的非挥发存储器主要有 Flash 存储器 (固态硬盘，SSD) 和磁存储器 (机械硬盘，HDD)。1.3.1 Flash 存储器闪存存储器的特点是可实现多次擦写，主要用于数据的存储，如 U 盘和固态硬盘。其工作原理是在强电场作用下，将电子注入或排出浮栅，来实现二进制数据的 0 和 1，作为存储数据依据。Flash 存储器是在传统的半导体场效应晶体管 (MOSFET) 改进得到的，其结构由衬底、隧穿氧化层、浮栅电极 (FG)、控制栅氧化层、控制栅电极 (CG) 等构成，结构如图 1.1(a)所示[3]。对 Flash 存储器施加一定的电场时，电子从沟道层注入浮栅并保存在此，浮栅内电子的增多使得器件阈值电压升高，这一状态被定义为二级制的“1”；对器件施加反向电场，浮栅中电子在电场的作用下排出，器件阈值电压减小，回到初始状态，这一状态被定义为二进制的“0”。进行读取数据时，只要在控制栅上施加一定偏压，通过读取源漏极不同的电流值就可以确定器件的存储状态[4]，如图 1.1 (b) 所示。

示意图,单元结构,示意图,铁磁板

聊城大学硕士学位论文板和中间绝缘隧道隔离层 (Tunnel barrier) 构成。其中一块铁磁板为固定极永磁体，称为固定层；另一个铁磁板的磁矩可以通过金属导线中电流产生的来控制，称为自由层。当固定层和自由层磁矩平行时，电子通过器件时受到射较小，，器件表现出低电阻状态；当两者磁矩相反时，电子通过器件时受到射较大，器件呈现高阻态，如图 1.2 (b) 所示，这种结构被称为磁性隧道结 MRAM 最简单的结构。
【学位授予单位】：聊城大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN60

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